誘導加熱装置
【課題】 アルミ、非磁性ステンレス、銅などの誘導加熱しにくい金属に対して高周波渦電流を利用した誘導加熱を実現するための構成法および駆動法を提供する。
【解決手段】 加熱対象の金属負荷の近傍に加熱コイルを配置して、その加熱コイルを駆動する手段としてそれぞれ異なる位相の交流電流又はパルス電流を発生させる少なくとも２つの電流発生回路が相互に並列に接続された並列電流発生回路を使用することで、スイッチング周波数は低いままに誘導される渦電流周波数を高める。２つの電流発生回路が発生させる電流の位相差を１８０度にすれば、その２倍の周波数の渦電流を誘起することができる。
【解決手段】 加熱対象の金属負荷の近傍に加熱コイルを配置して、その加熱コイルを駆動する手段としてそれぞれ異なる位相の交流電流又はパルス電流を発生させる少なくとも２つの電流発生回路が相互に並列に接続された並列電流発生回路を使用することで、スイッチング周波数は低いままに誘導される渦電流周波数を高める。２つの電流発生回路が発生させる電流の位相差を１８０度にすれば、その２倍の周波数の渦電流を誘起することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流又はパルス電流を発生させるスイッチング素子などの電流発生装置における損失（スイッチング損失）を増大させることなく、スイッチング周波数の高い周波数帯域においても高効率で金属負荷を加熱することができる誘導加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
誘導加熱調装置は、高周波の電流をコイルに流して近傍に配置した金属負荷に渦電流を発生させ、金属負荷内で生じるジュール熱によって自己発熱することで、金属負荷を効率よく加熱するものであり、その利用分野としては、調理器具を加熱する誘導加熱調理器や歯車などの金属部材の焼き入れを行うための高周波焼入装置などが挙げられる。
【０００３】
誘導加熱調理器に関しては、近年、高齢化社会の到来によってガスコンロや電熱ヒータによる調理器具に対して、誘導加熱調理器は安全性や温度制御性に優れた点が社会で評価されて調理器の置き換えが進んでいる。
【０００４】
従来は、金属負荷として鉄鍋などの磁性金属のみ加熱できたが、近年ではアルミ鍋や非磁性ステンレス、銅鍋も加熱できるような誘導加熱装置が提案されている。
【０００５】
それらは、金属負荷の材質によって加熱コイルの巻き数を変更して加熱効率を上昇させるものである。
【０００６】
また、特許文献１では、負荷の状態を検出して加熱に適した共振回路と加熱コイルの組み合わせによりアルミ等の加熱を実現している。
【０００７】
さらに特許文献２では、2つ以上の加熱コイルに位相の異なる電流を流すことでスイッチング周波数およびコイル電流周波数のコイル個数倍の渦電流周波数を得ている。
【特許文献１】特開２００５−９３０８９号公報
【特許文献２】特開２００７−７３４００号公報
【特許文献３】特開２００１−６８２６０号公報
【特許文献４】特開２００１−１６０４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来例においては、少なくとも以下の2つの課題が生じる。
【０００９】
第１の課題：負荷の種類に応じて共振コンデンサと加熱コイルを組み合わせたり単に巻き数を多くするだけでは、金属負荷である鍋底に誘起される渦電流の周波数は低いままであり、大きな電流を流さないとアルミ等を加熱できるだけのエネルギーが得られず、損失が大きくならざるを得ない。
【００１０】
第２の課題：加熱コイルを2つ以上用いる方式ではそれぞれのコイルに位相の異なる電流を印加して合成磁界がコイル個数倍の周波数になるように設定するため、それぞれのコイル利用率が低く、また加熱コイルを配置する空間のコイル電線の占有面積的に考えても金属負荷とそれぞれのコイルの距離を同一に保つためには巻き数を減少させざるを得ない等の問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、それぞれ異なる位相の交流電流又はパルス電流を発生させる少なくとも２つの電流発生回路が相互に並列に接続された並列電流発生回路と、前記並列電流発生回路に接続された金属負荷を加熱するための加熱コイルとを有することを特徴とする誘導加熱装置である。
【００１２】
本発明では、それぞれ異なる位相の交流電流を発生させる少なくとも２つの電流発生回路（第１、第２の電流発生回路）を相互に並列に接続した並列電流発生回路を使用することにより、個々の電流発生回路が発生させる電流周波数よりも高い周波数の電流を加熱コイルに発生させることが可能である。従って、本発明によれば、電流発生装置における損失（スイッチング損失など）を増大させることなく、金属負荷に誘起させる渦電流の高周波化を達成することが可能となる。
【００１３】
本発明における電流発生回路は、スイッチング素子を用いて実現することが可能である。
【００１４】
本発明における第１、第２の電流発生回路が発生させる交流電流又はパルス電流の位相差の好ましい範囲は１６０〜２００度であり、特にこの位相差を１８０度にすれば、コイル電流周波数および金属負荷に誘起される渦電流の周波数は、個々の電流発生回路が発生させる電流周波数の２倍になる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電流発生回路における電流周波数を増大させることなく金属負荷に誘起される渦電流周波数を増大させることが可能であるため、金属負荷の表皮効果が顕著になり、鍋底の等価抵抗が増してジュール熱による加熱が促進される。従って、アルミや銅などの低い周波数では加熱しにくい金属も表皮効果によって加熱が実現できるため、誘導加熱調理器として本発明による効果は大きい。
【００１６】
また電流発生回路において発生させる電流周波数を増大させなくとも上記の効果が達成されることからスイッチング損失を軽減し、かつ加熱コイルの利用率が向上するため限られた空間に高密度な加熱コイル配置を行うことで出力増強を同時に実現可能ですることができる。
【００１７】
従来技術を本発明に適用することでさらなる効果の向上が可能になり、例えば、特許文献３および４で示されている加熱コイルと共振方法を本発明に適用すれば、特許文献３および４で示されている６０ｋＨｚおよび９０ｋＨｚの渦電流を２倍の１２０ｋＨｚおよび１８０ｋＨｚにまで増加させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面をもとに説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施形態を示す要部ブロック図である。
【００２０】
図１において、本発明は金属負荷１を誘導加熱するための手段として加熱コイルＬＡが金属負荷１の下部に配置され、信号生成部２が生成する信号により駆動されるインバータＩ１およびＩ２から加熱コイルＬＡに交流電流またはパルス電流が供給される。
【００２１】
ここで、インバータＩ１およびＩ２は、スイッチング素子などから構成される周知の高周波電流発生回路であり、この２つのインバータＩ１、Ｉ２が相互に並列に接続されることにより並列電流発生回路ＰＩが構成され、当該並列電流発生回路ＰＩはコイルＬＡに対して直列に接続されている。
【００２２】
加熱コイルＬＡは金属負荷１の下部に配置されており、インバータＩ１およびＩ２からの電流が加熱コイルＬＡを流れることで金属負荷１内部に誘導が起こり、高周波渦電流が誘起されて自己発熱する。
【００２３】
信号生成部２は、インバータＩ１、１２から所定の位相および周波数の電流を発生させるためのコンピュータその他から構成される制御手段である。
【００２４】
図２は、インバータＩ１およびＩ２から加熱コイルＬＡに流れる電流波形と金属負荷１上に誘起される渦電流波形を示しており、インバータＩ１およびＩ２に位相の異なる駆動信号が印加されると、それに対応した電流ＩＬ１およびＩＬ２が流れ、この電流ＩＬ１およびＩＬ２が交互に加熱コイルＬＡに流れることでスイッチング周波数の２倍周波数のコイル電流が加熱コイルＬＡに流れ、金属負荷１にスイッチング周波数の２倍周波数の渦電流が誘導される。
【００２５】
なお、図示の例では、最も周波数が高く、整った波形の合成渦電流が得られる場合として、電流ＩＬ１およびＩＬ２のデューティー比が約２５％であり、両電流の位相差が約１８０度である場合を示しているが、これらデューティー比および／または位相差がそれぞれ２５％および／または１８０度以外の値であっても、合成渦電流の波形が図示の態様とは異なることにはなるものの、電流ＩＬ１およびＩＬ２の電流の周波数よりも高い周波数の合成渦電流が得られることに変わりはない。
【００２６】
信号生成部２によってインバータＩ１およびＩ２を駆動し電流ＩＬ１およびＩＬ２となる図２に示す電流の位相が１８０度ずれた２つの信号は、たとえばコンピュータを使用して図３のようなフローチャートのプログラムを用いて生成することができる。
【００２７】
サブルーチンＢとして、ある一定時間をカウントするプログラムを用意する。
【００２８】
メインプログラムＡは、コンピュータの入出力端子の設定等をするため、はじめに初期設定（ＳＴ−１）を行う。
【００２９】
インバータＩ１およびＩ２に接続されるコンピュータの端子をクリアにして、サブルーチンＢを呼び出す（ＳＴ−２）。
【００３０】
サブルーチンＢで上記一定時間が経過したらメインプログラムＡに戻り、インバータＩ１から加熱コイルＬＡ１に電流を出力させる（ＳＴ−３）。
【００３１】
続いてサブルーチンＢを呼び出して一定時間継続して電流を出力させ（ＳＴ−４）、再びメインプログラムＡに戻って電流出力を停止させる（ＳＴ−５）。
【００３２】
続くＳＴ６〜９では、上記と同様にしてインバータＩ２から加熱コイルＬＡ２への電流出力が行われる。
【００３３】
以後、ＳＴ−２〜９を繰り返して実行することで図２に示しているＩＬ１およびＩＬ２の波形を生成する。
【００３４】
インバータＩ１、Ｉ２に使用されるスイッチング素子は、ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体スイッチング素子で構成され、実施形態としてはハーフブリッジやフルブリッジが適用され、スイッチング損失の低減のためにソフトスイッチングが行われる。
【００３５】
つまり、本発明は、金属負荷に対して、位相の異なった２つの信号を２つのインバータに供給することによって高周波コイル電流を生成し高周波渦電流を金属負荷に誘起して誘導加熱を実現するものであり、スイッチング周波数は低いままなのでスイッチング損失を小さくできる利点がある。
【００３６】
上記実施形態では、２つのインバータ（電流発生回路）を用いる場合を例として説明したが、３つ以上のインバータ（電流発生回路）を並列に接続し、それぞれが位相の異なる電流を発生させることでも本発明の効果を達成することは可能であり、そのような誘導加熱器もまた本発明の範囲に含まれる。
【００３７】
本発明の誘導加熱装置は、電磁調理器や高周波焼入装置など、金属負荷に誘導電流を誘起して自己発熱させる任意の装置として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態の要部ブロック図である。
【図２】本発明のスイッチング周期と渦電流を示す図である。
【図３】本発明の誘導加熱器の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１ 金属負荷
２ 信号生成部
Ｉ１ 加熱コイル駆動用のインバータ
Ｉ２ 加熱コイル駆動用のインバータ
ＬＡ 加熱コイル
ＩＬ１ 第１の電流
ＩＬ２ 第２の電流
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流又はパルス電流を発生させるスイッチング素子などの電流発生装置における損失（スイッチング損失）を増大させることなく、スイッチング周波数の高い周波数帯域においても高効率で金属負荷を加熱することができる誘導加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
誘導加熱調装置は、高周波の電流をコイルに流して近傍に配置した金属負荷に渦電流を発生させ、金属負荷内で生じるジュール熱によって自己発熱することで、金属負荷を効率よく加熱するものであり、その利用分野としては、調理器具を加熱する誘導加熱調理器や歯車などの金属部材の焼き入れを行うための高周波焼入装置などが挙げられる。
【０００３】
誘導加熱調理器に関しては、近年、高齢化社会の到来によってガスコンロや電熱ヒータによる調理器具に対して、誘導加熱調理器は安全性や温度制御性に優れた点が社会で評価されて調理器の置き換えが進んでいる。
【０００４】
従来は、金属負荷として鉄鍋などの磁性金属のみ加熱できたが、近年ではアルミ鍋や非磁性ステンレス、銅鍋も加熱できるような誘導加熱装置が提案されている。
【０００５】
それらは、金属負荷の材質によって加熱コイルの巻き数を変更して加熱効率を上昇させるものである。
【０００６】
また、特許文献１では、負荷の状態を検出して加熱に適した共振回路と加熱コイルの組み合わせによりアルミ等の加熱を実現している。
【０００７】
さらに特許文献２では、2つ以上の加熱コイルに位相の異なる電流を流すことでスイッチング周波数およびコイル電流周波数のコイル個数倍の渦電流周波数を得ている。
【特許文献１】特開２００５−９３０８９号公報
【特許文献２】特開２００７−７３４００号公報
【特許文献３】特開２００１−６８２６０号公報
【特許文献４】特開２００１−１６０４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来例においては、少なくとも以下の2つの課題が生じる。
【０００９】
第１の課題：負荷の種類に応じて共振コンデンサと加熱コイルを組み合わせたり単に巻き数を多くするだけでは、金属負荷である鍋底に誘起される渦電流の周波数は低いままであり、大きな電流を流さないとアルミ等を加熱できるだけのエネルギーが得られず、損失が大きくならざるを得ない。
【００１０】
第２の課題：加熱コイルを2つ以上用いる方式ではそれぞれのコイルに位相の異なる電流を印加して合成磁界がコイル個数倍の周波数になるように設定するため、それぞれのコイル利用率が低く、また加熱コイルを配置する空間のコイル電線の占有面積的に考えても金属負荷とそれぞれのコイルの距離を同一に保つためには巻き数を減少させざるを得ない等の問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、それぞれ異なる位相の交流電流又はパルス電流を発生させる少なくとも２つの電流発生回路が相互に並列に接続された並列電流発生回路と、前記並列電流発生回路に接続された金属負荷を加熱するための加熱コイルとを有することを特徴とする誘導加熱装置である。
【００１２】
本発明では、それぞれ異なる位相の交流電流を発生させる少なくとも２つの電流発生回路（第１、第２の電流発生回路）を相互に並列に接続した並列電流発生回路を使用することにより、個々の電流発生回路が発生させる電流周波数よりも高い周波数の電流を加熱コイルに発生させることが可能である。従って、本発明によれば、電流発生装置における損失（スイッチング損失など）を増大させることなく、金属負荷に誘起させる渦電流の高周波化を達成することが可能となる。
【００１３】
本発明における電流発生回路は、スイッチング素子を用いて実現することが可能である。
【００１４】
本発明における第１、第２の電流発生回路が発生させる交流電流又はパルス電流の位相差の好ましい範囲は１６０〜２００度であり、特にこの位相差を１８０度にすれば、コイル電流周波数および金属負荷に誘起される渦電流の周波数は、個々の電流発生回路が発生させる電流周波数の２倍になる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電流発生回路における電流周波数を増大させることなく金属負荷に誘起される渦電流周波数を増大させることが可能であるため、金属負荷の表皮効果が顕著になり、鍋底の等価抵抗が増してジュール熱による加熱が促進される。従って、アルミや銅などの低い周波数では加熱しにくい金属も表皮効果によって加熱が実現できるため、誘導加熱調理器として本発明による効果は大きい。
【００１６】
また電流発生回路において発生させる電流周波数を増大させなくとも上記の効果が達成されることからスイッチング損失を軽減し、かつ加熱コイルの利用率が向上するため限られた空間に高密度な加熱コイル配置を行うことで出力増強を同時に実現可能ですることができる。
【００１７】
従来技術を本発明に適用することでさらなる効果の向上が可能になり、例えば、特許文献３および４で示されている加熱コイルと共振方法を本発明に適用すれば、特許文献３および４で示されている６０ｋＨｚおよび９０ｋＨｚの渦電流を２倍の１２０ｋＨｚおよび１８０ｋＨｚにまで増加させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面をもとに説明する。
【００１９】
図１は本発明の実施形態を示す要部ブロック図である。
【００２０】
図１において、本発明は金属負荷１を誘導加熱するための手段として加熱コイルＬＡが金属負荷１の下部に配置され、信号生成部２が生成する信号により駆動されるインバータＩ１およびＩ２から加熱コイルＬＡに交流電流またはパルス電流が供給される。
【００２１】
ここで、インバータＩ１およびＩ２は、スイッチング素子などから構成される周知の高周波電流発生回路であり、この２つのインバータＩ１、Ｉ２が相互に並列に接続されることにより並列電流発生回路ＰＩが構成され、当該並列電流発生回路ＰＩはコイルＬＡに対して直列に接続されている。
【００２２】
加熱コイルＬＡは金属負荷１の下部に配置されており、インバータＩ１およびＩ２からの電流が加熱コイルＬＡを流れることで金属負荷１内部に誘導が起こり、高周波渦電流が誘起されて自己発熱する。
【００２３】
信号生成部２は、インバータＩ１、１２から所定の位相および周波数の電流を発生させるためのコンピュータその他から構成される制御手段である。
【００２４】
図２は、インバータＩ１およびＩ２から加熱コイルＬＡに流れる電流波形と金属負荷１上に誘起される渦電流波形を示しており、インバータＩ１およびＩ２に位相の異なる駆動信号が印加されると、それに対応した電流ＩＬ１およびＩＬ２が流れ、この電流ＩＬ１およびＩＬ２が交互に加熱コイルＬＡに流れることでスイッチング周波数の２倍周波数のコイル電流が加熱コイルＬＡに流れ、金属負荷１にスイッチング周波数の２倍周波数の渦電流が誘導される。
【００２５】
なお、図示の例では、最も周波数が高く、整った波形の合成渦電流が得られる場合として、電流ＩＬ１およびＩＬ２のデューティー比が約２５％であり、両電流の位相差が約１８０度である場合を示しているが、これらデューティー比および／または位相差がそれぞれ２５％および／または１８０度以外の値であっても、合成渦電流の波形が図示の態様とは異なることにはなるものの、電流ＩＬ１およびＩＬ２の電流の周波数よりも高い周波数の合成渦電流が得られることに変わりはない。
【００２６】
信号生成部２によってインバータＩ１およびＩ２を駆動し電流ＩＬ１およびＩＬ２となる図２に示す電流の位相が１８０度ずれた２つの信号は、たとえばコンピュータを使用して図３のようなフローチャートのプログラムを用いて生成することができる。
【００２７】
サブルーチンＢとして、ある一定時間をカウントするプログラムを用意する。
【００２８】
メインプログラムＡは、コンピュータの入出力端子の設定等をするため、はじめに初期設定（ＳＴ−１）を行う。
【００２９】
インバータＩ１およびＩ２に接続されるコンピュータの端子をクリアにして、サブルーチンＢを呼び出す（ＳＴ−２）。
【００３０】
サブルーチンＢで上記一定時間が経過したらメインプログラムＡに戻り、インバータＩ１から加熱コイルＬＡ１に電流を出力させる（ＳＴ−３）。
【００３１】
続いてサブルーチンＢを呼び出して一定時間継続して電流を出力させ（ＳＴ−４）、再びメインプログラムＡに戻って電流出力を停止させる（ＳＴ−５）。
【００３２】
続くＳＴ６〜９では、上記と同様にしてインバータＩ２から加熱コイルＬＡ２への電流出力が行われる。
【００３３】
以後、ＳＴ−２〜９を繰り返して実行することで図２に示しているＩＬ１およびＩＬ２の波形を生成する。
【００３４】
インバータＩ１、Ｉ２に使用されるスイッチング素子は、ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体スイッチング素子で構成され、実施形態としてはハーフブリッジやフルブリッジが適用され、スイッチング損失の低減のためにソフトスイッチングが行われる。
【００３５】
つまり、本発明は、金属負荷に対して、位相の異なった２つの信号を２つのインバータに供給することによって高周波コイル電流を生成し高周波渦電流を金属負荷に誘起して誘導加熱を実現するものであり、スイッチング周波数は低いままなのでスイッチング損失を小さくできる利点がある。
【００３６】
上記実施形態では、２つのインバータ（電流発生回路）を用いる場合を例として説明したが、３つ以上のインバータ（電流発生回路）を並列に接続し、それぞれが位相の異なる電流を発生させることでも本発明の効果を達成することは可能であり、そのような誘導加熱器もまた本発明の範囲に含まれる。
【００３７】
本発明の誘導加熱装置は、電磁調理器や高周波焼入装置など、金属負荷に誘導電流を誘起して自己発熱させる任意の装置として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態の要部ブロック図である。
【図２】本発明のスイッチング周期と渦電流を示す図である。
【図３】本発明の誘導加熱器の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３９】
１ 金属負荷
２ 信号生成部
Ｉ１ 加熱コイル駆動用のインバータ
Ｉ２ 加熱コイル駆動用のインバータ
ＬＡ 加熱コイル
ＩＬ１ 第１の電流
ＩＬ２ 第２の電流
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ異なる位相の交流電流又はパルス電流を発生させる少なくとも２つの電流発生回路が相互に並列に接続された並列電流発生回路と、
前記並列電流発生回路に接続された金属負荷を加熱するための加熱コイルとを有することを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】
前記金属負荷が加熱調理器具であることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
【請求項１】
それぞれ異なる位相の交流電流又はパルス電流を発生させる少なくとも２つの電流発生回路が相互に並列に接続された並列電流発生回路と、
前記並列電流発生回路に接続された金属負荷を加熱するための加熱コイルとを有することを特徴とする誘導加熱装置。
【請求項２】
前記金属負荷が加熱調理器具であることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−８７７９６（Ｐ２００９−８７７９６Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５７１３６（Ｐ２００７−２５７１３６）
【出願日】平成１９年１０月１日（２００７．１０．１）
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１日（２００７．１０．１）
【出願人】（８００００００８０）タマティーエルオー株式会社 (255)
【Ｆターム（参考）】
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